李紫妍, 刘登峰, 黄强, 张飒

(1.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710048;2.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西 西安 710048)

基于多种水文学方法的汉江子午河生态流量研究

李紫妍1,2, 刘登峰1,2, 黄强1,2, 张飒1,2

(1.西安理工大学 水利水电学院,陕西 西安 710048;2.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地,陕西 西安 710048)

汉江支流的子午河是陕西省“引汉济渭”工程的两大水源之一,为了维持下游河道的生态环境健康,子午河上的三河口水库下泄流量必须满足生态环境用水和生态流量过程的要求。采用两河口水文站的流量观测资料,运用变化范围法(RVA)、Q90法、多年日流量资料排频法,分析计算子午河年内生态流量过程,研究该河道维持多种生态环境目标所需要的生态需水量。研究结果表明：RVA法和Q90法计算得到的年生态需水量分别为46 344.3、11 574.0万m3;多年日流量资料排频法获得的保证率(60%、70%、80%、90%)对应的年生态需水量分别为47 262.6、38 170.5、30 316.0、22 799.5万m3。多年日流量资料排频法中，60%保证率对应的年生态需水量最大,可以达到较高的生态环境保护目标；Q90法获得的年生态需水量最小,对应最低的生态环境保护目标。计算得到的生态流量过程线可为水库调度和生态环境保护提供科学指导。

生态流量;生态需水量;变化范围法(RVA);Q90法；多年日流量资料排频法；生态流量过程线;汉江

生态流量研究是生态水文研究的重要组成部分。我国生态流量研究起步较晚,但发展较快。生态流量的计算方法有很多,比如:栖息地法、整体分析法、水力定额法、水文学法等。但现阶段,由于国内生态资料的缺乏,导致栖息地法和整体分析法难以在我国得到广泛应用；水力定额法则需要大量的现场实测数据、较长的时间和较充足的人力与物力,应用起来也较为困难。而水文学法是最简单、需要数据最少的方法,它仅需利用水文资料中的历史流量数据即可确定生态需水量。国内大部分地区均具有较长的历史流量资料,因此我国具备使用该方法的条件[1]。

水文学法中应用较广泛的有Tennant法、7Q10法、RVA法等。徐志侠等[2]详细探讨了Tennant法的来源、参数涵义和特点,并通过实例做了进一步说明。改进后的Tennant法被应用到黄河干流的生态需水量研究中,应用结果表明,改进后求得的流量能够更好地体现出中国北方河流流量丰枯的季节性[3];韩宇平等[4]也运用该方法计算了北运河典型河段的基础生态需水量。7Q10法主要被应用于我国大型水利工程项目的环境影响评价中,《地方水污染物排放标准》(GB 3839—83)修改规定:一般河流的设计水量采用近10年来最枯月平均流量或90%保证率对应的最枯月平均流量[5]。史方方等[6]应用RVA法评估了丹江口水库对汉江中下游生态水文的影响;于茜等[7]采用RVA法对黄河上游兰州站的生态水文特征变异情况进行了分析,深入剖析了兰州断面生态水文特征的改变情况以及关键影响因素;张飒等[8]利用RVA法对汉江下游水文情势变化规律进行了分析。为满足河流不同的实际需求目标,应选用相应的研究方法,以获得可行的规划方案。生态流量的调控是实现河流生态环境保护的重要手段[9]。

陕西省水资源呈南多北少的格局,为了实现陕西省水资源空间的均匀配置、缓解关中地区的水资源短缺问题,兴建了跨流域调水的“引汉济渭”工程[10]。三河口水利枢纽是“引汉济渭”工程的水源之一,位于汉江支流的子午河上，而“引汉济渭”工程运行后势必会引起子午河下游流量过程的改变。为了维持下游河道的生态环境健康,三河口水库下泄流量的研究就显得十分重要。

本文采用三河口水库下游的两河口水文站逐日流量资料,研究维持子午河多种生态环境目标所需要的生态流量。笔者通过了解子午河的水文、气象等自然情况和社会经济情况,收集整理了子午河两河口水文站的逐日流量资料,拟分析两河口水文站流量资料的基本特征以及两河口水文站以下河段的生态环境保护目标,采用变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)、Q90法计算两河口水文站的生态环境需水量和生态流量过程,运用多年日流量资料排频法确定子午河年内各保证率对应的生态流量过程线，并对这3种方法的计算结果进行合理性分析与总结。

1 研究区概况和数据来源

1.1 汉江子午河流域概况

汉江是长江最长的支流,经过陕西、湖北两省,最终于武汉市汉口龙王庙汇入长江。子午河为汉江左岸支流,属于汉江一级支流,发源于秦岭南麓的宁陕县钢铁乡,流经宁陕县、佛坪县、石泉县、洋县,最终于西乡县子午乡汇入汉江,全长153.8 km,流域面积3 028 km2[11]。两河口水文站位于子午河上游,控制流域面积2 816 km2,可观测水位、流量、泥沙、降水量等水文要素,其地理位置如图1所示。

图1 两河口水文站地理位置

据陕西省水利志可知,子午河的年均径流量为12.26亿m3,最大年径流量为24.2亿m3,最小年径流量为5.41亿m3，年内分布不均匀性较为突出。流域内为土石山区,植被较好,森林覆盖率达70%以上[12]。

1.2 数据来源

本文所用数据采用两河口水文站逐日流量序列较为完整的1963—1972年、1974—1976年、1981—1987年、2003年和2005—2013年共30 a的流量数据资料。

依据获取的日流量资料计算出多年月平均流量和各月平均流量的最小值、最大值出现的年份,结果见表1。

表1 两河口水文站多年月平均流量特征值

由表1可知，子午河流域的汛期为7—9月，9月份的多年平均流量最大，为116.51 m3/s;2月份的多年平均流量最小,为5.65 m3/s;2003年1月出现了月平均流量最小值，为1.58 m3/s;1984年9月出现了月平均流量最大值，为296.89 m3/s。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

两河口水文站流量资料的时间序列长度n为30 a,自由度为28,查相关系数检验表可得r0.05=0.361,r0.01=0.463。计算两河口水文站多年月平均流量与年份的线性相关系数,得到r≈0.101<0.361。因此,该30 a的多年月平均流量序列未通过显著性水平为0.05的假设检验,说明该流量序列与时间的相关性不显著,不具有显著的趋势性。说明所选取的两河口水文站30 a的逐月流量序列具有代表性、科学性和可操作性，可用于定量分析生态环境需水量和生态流量过程。

2 研究结果

2.1 研究方法

RVA法的计算目的是认识水文变化在维护生态系统中的重要作用。Zolezzi等[13]提出了RVA阈值，以描述流量过程线的可变范围,这为河流生态流量的估算提供了参考。RVA法至少需要20 a的流量数据资料,其分析是建立在IHA指标参数的基础上,评估受人类活动影响的河流水文变化状态,从而认识水文变化在维护生态系统中的重要作用[14]。Richter等[15]创立了一种评估河流生态水文变化的指标体系,依据河流的日水文资料计算了32个具有生态意义的关键水文参数值。本次研究选取月平均流量这一IHA指标,并结合Q90法和多年日流量资料排频法进行补充分析。

Q90法就是改进后的美国7Q10法,该法于20世纪70年代传入我国,它是防治河流水质污染的计算方法和标准。本次研究采用90%保证率对应的最枯月平均流量作为生态流量和生态需水量的计算标准，并假设该方法下的年内各月生态流量均为保证率90%对应的生态流量。

多年日流量资料排频法，即假设每月的所有日流量都可能在当月发生,对每月的所有日流量资料进行频率分析，计算不同频率的流量的方法。此方法可用来对比不同频率的流量过程,以满足不同的生态保护用水需求。

社会经济用水需求较大时,河道下泄流量可采用较低保证率的生态环境流量,把生态环境维持在基本的生态保护水平。随着社会经济结构的调整、水生态文明建设的不断推进和实施,人们对生态环境功能的需求会不断增长,可以根据需求把河道下泄流量设定为较高保证率的生态环境流量,保证率水平同时可以根据需求不断调整,以维持社会不同的生态环境功能的需求。此时,生态流量不再是一组恒定不变的数值,而是与生态环境功能相关联的一系列可变动的数值。

2.2 生态流量与生态需水量的计算

2.2.1 生态流量及年内生态流量过程的计算

根据舒畅等的研究,月平均流量的变动范围应不超过天然可变范围(RVA阈值差)[16]。本次RVA法采用发生机率为35%及65%对应的IHA指标值作为各个指标参数的上、下限(RVA阈值),生态流量的计算公式可表示为：

(6)

Q90法计算的生态流量为3.67 m3/s,RVA法计算的各月生态流量和多年日流量资料排频法计算的90%、80%、70%和60%保证率对应的各月生态流量见表2。由表2可知,除Q90法计算的生态流量未反映出年内变化趋势以外,其他两种方法计算的生态流量均表现出季节性的变化趋势。计算获得的生态流量中，7月较6月有较大增长,11月较10月有较大回落。

表2 3种方法下的生态流量计算结果 m3/s

2.2.2 生态需水量的计算

年生态需水量为各月生态需水量的累加值(本次1年按365 d计),计算公式见式(7)—(8),结果见表3。

Wi=Si×天数×24×3 600,

(7)

(8)

式中:Wi为第i个月的生态需水量，m3;i为月份，i=1,2,…,12；Si为第i个月的生态流量,m3/s；W为年生态需水量，m3。

表3 3种方法下的生态需水量计算结果 万m3

由表3可知,应用3种方法计算的生态需水量中,多年日流量资料排频法计算的60%保证率对应的年生态需水量最大,为47 262.6万m3，对应较高的生态环境保护目标;RVA法计算的年生态需水量次之,为46 344.3万m3;Q90法计算的最小,为11 574.0万m3,对应较低的生态环境保护目标。

2.3 结果对比

为了更直观地对比RVA法、Q90法和多年日流量资料排频法计算的各月生态流量,分别绘制了RVA法计算的多种上、下限频率对应的生态流量对比图和上述3种方法计算的年内生态流量对比图,如图2—3所示。

图2 RVA法计算的多种上、下限频率对应的年内生态流量

由图2可知,RVA法计算的各个上、下限频率对应的生态流量小于多年月平均流量；上、下限频率分别为30%和70%、32%和68%、25%和75%对应的生态流量均出现了负值,因此只有35%和65%作为上、下限频率的生态流量符合实际要求。

图3 3种方法计算的年内生态流量

由图3可知,60%保证率对应的年内生态流量过程与RVA法计算的年内生态流量过程最接近；而Q90法计算的年内生态流量值最小,且为恒定值,不能真实地反映天然河流年内流量的波动性。

3 结语

河流的健康与经济社会的发展密切相关,开展河流生态流量研究具有重要的现实意义。本文从整体水文情势的角度出发,分析两河口水文站的日流量资料及其分布特点,采用RVA法、Q90法和多年日流量资料排频法计算各月和年生态需水量以及年内生态流量过程线，为维持河流生态系统健康提供了数据支持。主要结论如下:

1)确定了基于RVA框架的生态流量指标,使用均值与RVA阈值差计算各月生态流量,计算得到年生态需水量为46 344.3万m3。

2)Q90法能获取最低的生态流量，可为河流水质安全提供一定的支持,年内生态流量为恒定的3.67 m3/s,年生态需水量为11 574.0万m3。但该方法计算的年内生态流量无法真实地反映天然河流年内流量的波动性,不利于日常河流生态环境的保护。

3)多年日流量资料排频法能确定各保证率对应的年内生态流量过程线,并获取相应的年生态流量,其计算的多个生态流量过程可用于河流不同生态环境保护目标的实现。多年日流量资料排频法中,60%保证率对应的年生态需水量为47 262.6万m3,与RVA法的计算结果最相近,且大于70%、80%和90%保证率对应的年生态需水量。因此采用60%保证率对应的生态流量作为河道下泄流量,可以达到较高的生态环境保护目标。

这些水文学方法计算得到的生态流量过程线可用于指导水库的规划和调度运行,可为水生态文明建设中实现不同的生态环境保护目标提供相应的生态流量。同时,对于汉江其他子流域的生态环境流量分析和生态环境保护具有借鉴意义。

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(责任编辑：张陵)

Study on the Ecological Flux of the Ziwu River in Hanjiang River Based on Several Hydrological Methods

LI Ziyan, LIU Dengfeng, HUANG Qiang, ZHANG Sa

(State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic in Arid Area, School of Water Resources and HydropowerEngineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048, China)

Ziwu River, one of the two huge water resources for Hanjiang-to-Weihe Diversion Project, is located in the tributary of the Hanjiang River. In order to maintain the ecological health of the downstream, the discharge of Sanhekou Reservoir must meet the requirements of the ecological environment and ecological water flow. Therefore, for the two hydrological stations of Sanhekou Reservoir, the method of Range of Variability Approach (RVA),Q90 method and daily mean method of flow discharge were used for research on required ecological flow of maintaining a variety of eco-environmental objectives. The annual ecological water requirement calculated by RVA method and Q90 method were respectively 463.44×106m3and 115.74×106m3. Annual daily flow discharge frequency method obtained the annual ecological water demand of 472.62×106m3,381.71×106m3,303.16×106m3,228.00×109m3with the respective guarantee of 60%, 70%, 80% and 90%.Comparing ecological water demands calculated by the three methods, the annual ecological water demand corresponded to 60% guarantee rate is the largest, and can achieve high ecological and environmental protection goals, while Q90 law requires a minimum amount of water, and corresponds to the lowest ecological environmental protection target.The calculated ecological flow process line can provide guidance for reservoir operation and ecological environment protection.

ecological flow; ecological water demand; range of variability approach(RVA);Q90 method; annual daily mean flow discharge frequency; ecological flow process line; Hanjiang River

2016-10-28

国家自然科学基金项目(51309188)；水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201501058)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2016JQ5105)。

李紫妍(1994—),女,陕西铜川人,硕士研究生,从事水文水资源方面的研究。E-mail:liziyan94@163.com。

刘登峰(1984—),男,陕西凤翔人,副教授,博士,从事生态水文、流域水文模拟、社会水文模拟方面的研究。E-mail: liudf@xaut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.002

TV213

A

1002-5634(2017)01-0008-05